超声波测距系统.doc

一、 设计原理 
    当超声波从空气中垂直入射到汽油、木材、钢材时，几乎产生全反射，这样，反射回来的回波具有足够的能量被接收探头所接收，为超声波测距创造了可能性。 

"     如图1所示，超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：s=c*t/2=c*t0（t0就是所谓的渡越时间）
 二、超声波测距系统硬件设计总体方案 
    本系统中选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M。 
    MC68HC908GP32单片机是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其高性价比，非常适用于中小型MCU开发商和生产厂家的欢迎。这类MCU的指令集非常精简，容易被用户掌握。其主要硬件资源有：片内307字节的监控ROM，32KB的片内FLASH存储器和512B RAM，33根通用的I/O引脚，2个16位的双通道定时器接口模块，外部中断，同时具有看门狗监视复位，低电压极限检测复位，非法指令检测复位等，使得应用系统免除了进入死循环的危险。
（一）发射电路。本系统采用方波调制的脉冲发射电路，即采用单片机的PORTA4口作为IO口，同时外接驱动芯片来提高其输出电流的驱动能力，保证40KHz的脉冲信号有一定的功率。单片机产生以5个40KHz为一组的脉冲群，加到压电晶片上能使晶片发出超声波，当信号为高电平时，发射传感器两端就加上了高电压，内部的压电晶片开始振动，此时接收传感器的两端可以检测到有40KHz信号；当信号为低电平时，发射传感器通过回路放电，此时接收传感器可以接收到回波信号。 
    （二）接收前置及带通放大电路。放大电路共有三级：前置放大器是高阻抗输入级，高输入阻抗是为了与传感器的高阻抗匹配。 
    课题中的带通放大器采用了集成滤波器MAX275，这是一款连续时间模拟集成有源滤波器，片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容组成。MAX275组成的滤波器具有外接元件少、结构简单、参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点；由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响较小。MAX275使用±5V电源，电源电流最大不超过30mA。

    （三）LED显示电路。MAX7219就是一种高性能，低价格的多位LED显示驱动器，可同时驱动8位共阴极LED或64只独立的LED发光二极管，其内部具有14*8RAM数字和功能控制寄存器，可方便的对每位数字进行单独控制，刷新，不需重写整个显示器寄存器。如图5，通信方式采用串行数据方式，可与68HC08系列的任何一种微控制器方便的接口，广泛应用在条状图形显示器，7段数码管显示器，工业控制器显示模板，面板表与LED矩阵显示屏等众多场合。
齐鲁工业大学
2013
届本科毕业设计（论文）

第
1
章

绪论

1.1
课题研究的背景

人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状
况不断改善。
但是，
由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，
城市给排水系统，
特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来
改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给
排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器
人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设
计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术
水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展
而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重
要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发
展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度
的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检
测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的
潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波传感器将与
自动化智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术
进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力
[1]
。

1.2
课题研究的意义

在现实生活中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，
例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或
脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵
敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测
距系统不仅价格昂贵，体积过大而且精度也不高等种种因素，使得在一些中小规模的
应用领域中难以得到广泛的应用。
为解决这一系列难题，
本文设计了一款基于
AT89C51
单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪
[2]
。

1.3
论文结构

论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。

第
2
章先就超声波测距的原理进行介绍。

第
3
章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，并介绍了设计中需要用到
的主要器件，且因其在本设计的作用不同而详尽程序亦不同。

第
4
章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。

齐鲁工业大学
2013
届本科毕业设计（论文）

4 
第
5
章先给出了软件设计的整体流程图，
并且给出了程序编译及系统仿真效果图。

第
2
章

超声波测距原理

2.1
超声波简介

我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的
频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为
20
～
20000
赫兹。当声波
的振动频率大于
20000
赫兹或小于
20
赫兹时，
我们便听不见了。
因此，
我们把频率高
于
20000
赫兹的声波称为“超声波”
。通常用于医学诊断的超声波频率为
1
～
5
兆赫。
超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特
点。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。在医学，军事，工业，农业上有明显
的作用
[3]
。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，
超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥
的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再
用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度
[4]
。这就是超声波加湿器的原理。
对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位。利用加湿器的原理，把
药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做
剧烈的受迫振动而破碎
[1]
。

2.2
超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必
须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并
开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后
立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离
[5]
。测
量距离
D
为

ct
D
2
1
=

（
2-1
）

式中

c
——超声波的传播速度；

t
2
1
——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。

由上式可知，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度
由单片机定时器决定，
定时时间为机器周期与计数次数的乘积，
可选用
12MHz
的晶振，
使机器周期为精确的
1µ
s,
不会产生累积误差，
使定时间达到
1µ
s
。
超声波的传播速度
c

二、